root/library/bdm/math/square_mat.h @ 384

Revision 384, 8.4 kB (checked in by mido, 15 years ago)

possibly broken?

  • Property svn:eol-style set to native
Line 
1/*!
2 * \file
3 * \brief Matrices in decomposed forms (LDL', LU, UDU', etc).
4 * \author Vaclav Smidl.
5 *
6 * -----------------------------------
7 * BDM++ - C++ library for Bayesian Decision Making under Uncertainty
8 *
9 * Using IT++ for numerical operations
10 * -----------------------------------
11 */
12
13#ifndef DC_H
14#define DC_H
15
16
17#include "../itpp_ext.h"
18
19/*!
20\defgroup math Auxiliary math functions
21@{
22*/
23
24using namespace itpp;
25
26//! Auxiliary function dydr; dyadic reduction
27void dydr( double * r, double *f, double *Dr, double *Df, double *R, int jl, int jh, double *kr, int m, int mx );
28
29//! Auxiliary function ltuinv; inversion of a triangular matrix;
30//TODO can be done via: dtrtri.f from lapack
31mat ltuinv( const mat &L );
32
33/*! \brief Virtual class for representation of double symmetric matrices in square-root form.
34
35All operations defined on this class should be optimized for the chosen decomposition.
36*/
37class sqmat
38{
39        public:
40                /*!
41                 * Perfroms a rank-1 update by outer product of vectors: \f$V = V + w v v'\f$.
42                 * @param  v Vector forming the outer product to be added
43                 * @param  w weight of updating; can be negative
44
45                 BLAS-2b operation.
46                 */
47                virtual void opupdt ( const vec &v, double w ) =0;
48
49                /*! \brief Conversion to full matrix.
50                */
51
52                virtual mat to_mat() const =0;
53
54                /*! \brief Inplace symmetric multiplication by a SQUARE matrix \f$C\f$, i.e. \f$V = C*V*C'\f$
55                @param C multiplying matrix,
56                */
57                virtual void mult_sym ( const mat &C ) =0;
58               
59                /*! \brief Inplace symmetric multiplication by a SQUARE transpose of matrix \f$C\f$, i.e. \f$V = C'*V*C\f$
60                @param C multiplying matrix,
61                */
62                virtual void mult_sym_t ( const mat &C ) =0;
63
64
65                /*!
66                \brief Logarithm of a determinant.
67
68                */
69                virtual double logdet() const =0;
70
71                /*!
72                \brief Multiplies square root of \f$V\f$ by vector \f$x\f$.
73
74                Used e.g. in generating normal samples.
75                */
76                virtual vec sqrt_mult (const vec &v ) const =0;
77
78                /*!
79                \brief Evaluates quadratic form \f$x= v'*V*v\f$;
80
81                */
82                virtual double qform (const vec &v ) const =0;
83
84                /*!
85                \brief Evaluates quadratic form \f$x= v'*inv(V)*v\f$;
86
87                */
88                virtual double invqform (const vec &v ) const =0;
89
90//      //! easy version of the
91//      sqmat inv();
92
93                //! Clearing matrix so that it corresponds to zeros.
94                virtual void clear() =0;
95
96                //! Reimplementing common functions of mat: cols().
97                int cols() const {return dim;};
98
99                //! Reimplementing common functions of mat: cols().
100                int rows() const {return dim;};
101
102                //! Destructor for future use;
103                virtual ~sqmat(){};
104                //! Default constructor
105                sqmat(const int dim0): dim(dim0){};
106                //! Default constructor
107                sqmat(): dim(0){};
108        protected:
109                //! dimension of the square matrix
110                int dim;
111};
112
113
114/*! \brief Fake sqmat. This class maps sqmat operations to operations on full matrix.
115
116This class can be used to compare performance of algorithms using decomposed matrices with perormance of the same algorithms using full matrices;
117*/
118class fsqmat: public sqmat
119{
120        protected:
121                //! Full matrix on which the operations are performed
122                mat M;
123        public:
124                void opupdt ( const vec &v, double w );
125                mat to_mat() const;
126                void mult_sym ( const mat &C);
127                void mult_sym_t ( const mat &C);
128                //! store result of \c mult_sym in external matrix \f$U\f$
129                void mult_sym ( const mat &C, fsqmat &U) const;
130                //! store result of \c mult_sym_t in external matrix \f$U\f$
131                void mult_sym_t ( const mat &C, fsqmat &U) const;
132                void clear();
133
134                //! Default initialization
135                fsqmat(){}; // mat will be initialized OK
136                //! Default initialization with proper size
137                fsqmat(const int dim0); // mat will be initialized OK
138                //! Constructor
139                fsqmat ( const mat &M );
140                //! Constructor
141                fsqmat ( const fsqmat &M, const ivec &perm ):sqmat(M.rows()){it_error("not implemneted");};
142                //! Constructor
143                fsqmat ( const vec &d ):sqmat(d.length()){M=diag(d);};
144
145                //! Destructor for future use;
146                virtual ~fsqmat(){};
147
148
149                /*! \brief Matrix inversion preserving the chosen form.
150
151                @param Inv a space where the inverse is stored.
152
153                */
154                virtual void inv ( fsqmat &Inv );
155
156                double logdet() const {return log ( det ( M ) );};
157                double qform (const  vec &v ) const {return ( v* ( M*v ) );};
158                double invqform (const  vec &v ) const {return ( v* ( itpp::inv(M)*v ) );};
159                vec sqrt_mult (const vec &v ) const {mat Ch=chol(M); return Ch*v;};
160
161                //! Add another matrix in fsq form with weight w
162                void add ( const fsqmat &fsq2, double w=1.0 ){M+=fsq2.M;};
163
164                //! Access functions
165                void setD (const vec &nD){M=diag(nD);}
166                //! Access functions
167                vec getD (){return diag(M);}
168                //! Access functions
169                void setD (const vec &nD, int i){for(int j=i;j<nD.length();j++){M(j,j)=nD(j-i);}} //Fixme can be more general
170
171
172                //! add another fsqmat matrix
173                fsqmat& operator += ( const fsqmat &A ) {M+=A.M;return *this;};
174                //! subtrack another fsqmat matrix
175                fsqmat& operator -= ( const fsqmat &A ) {M-=A.M;return *this;};
176                //! multiply by a scalar
177                fsqmat& operator *= ( double x ) {M*=x;return *this;};
178//              fsqmat& operator = ( const fsqmat &A) {M=A.M; return *this;};
179                //! print full matrix
180                friend std::ostream &operator<< ( std::ostream &os, const fsqmat &sq );
181
182};
183
184/*! \brief Matrix stored in LD form, (commonly known as UD)
185
186Matrix is decomposed as follows: \f[M = L'DL\f] where only \f$L\f$ and \f$D\f$ matrices are stored.
187All inplace operations modifies only these and the need to compose and decompose the matrix is avoided.
188*/
189class ldmat: sqmat
190{
191        public:
192                //! Construct by copy of L and D.
193                ldmat ( const mat &L, const vec &D );
194                //! Construct by decomposition of full matrix V.
195                ldmat (const mat &V );
196                //! Construct by restructuring of V0 accordint to permutation vector perm.
197                ldmat (const ldmat &V0, const ivec &perm):sqmat(V0.rows()){     ldform(V0.L.get_cols(perm), V0.D);};
198                //! Construct diagonal matrix with diagonal D0
199                ldmat ( vec D0 );
200                //!Default constructor
201                ldmat ();
202                //! Default initialization with proper size
203                ldmat(const int dim0);
204               
205                //! Destructor for future use;
206                virtual ~ldmat(){};
207
208                // Reimplementation of compulsory operatios
209
210                void opupdt ( const vec &v, double w );
211                mat to_mat() const;
212                void mult_sym ( const mat &C);
213                void mult_sym_t ( const mat &C);
214                //! Add another matrix in LD form with weight w
215                void add ( const ldmat &ld2, double w=1.0 );
216                double logdet() const;
217                double qform (const vec &v ) const;
218                double invqform (const vec &v ) const;
219                void clear();
220                int cols() const;
221                int rows() const;
222                vec sqrt_mult ( const vec &v ) const;
223
224               
225                /*! \brief Matrix inversion preserving the chosen form.
226                @param Inv a space where the inverse is stored.
227                */
228                virtual void inv ( ldmat &Inv ) const;
229
230                /*! \brief Symmetric multiplication of \f$U\f$ by a general matrix \f$C\f$, result of which is stored in the current class.
231                @param C matrix to multiply with
232                @param U a space where the inverse is stored.
233                */
234                void mult_sym ( const mat &C, ldmat &U) const;
235
236                /*! \brief Symmetric multiplication of \f$U\f$ by a transpose of a general matrix \f$C\f$, result of which is stored in the current class.
237                @param C matrix to multiply with
238                @param U a space where the inverse is stored.
239                */
240                void mult_sym_t ( const mat &C, ldmat &U) const;
241
242
243                /*! \brief Transforms general \f$A'D0 A\f$ into pure \f$L'DL\f$
244
245                The new decomposition fullfills: \f$A'*diag(D)*A = self.L'*diag(self.D)*self.L\f$
246                @param A general matrix
247                @param D0 general vector
248                */
249                void ldform (const mat &A,const vec &D0 );
250
251                //! Access functions
252                void setD (const vec &nD){D=nD;}
253                //! Access functions
254                void setD (const vec &nD, int i){D.replace_mid(i,nD);} //Fixme can be more general
255                //! Access functions
256                void setL (const vec &nL){L=nL;}
257
258                //! Access functions
259                const vec& _D() const {return D;}
260                //! Access functions
261                const mat& _L() const {return L;}
262
263                //! add another ldmat matrix
264                ldmat& operator += ( const ldmat &ldA );
265                //! subtract another ldmat matrix
266                ldmat& operator -= ( const ldmat &ldA );
267                //! multiply by a scalar
268                ldmat& operator *= ( double x );
269
270                //! print both \c L and \c D
271                friend std::ostream &operator<< ( std::ostream &os, const ldmat &sq );
272
273        protected:
274                //! Positive vector \f$D\f$
275                vec D;
276                //! Lower-triangular matrix \f$L\f$
277                mat L;
278
279};
280
281//////// Operations:
282//!mapping of add operation to operators
283inline ldmat& ldmat::operator += ( const ldmat &ldA )  {this->add ( ldA );return *this;}
284//!mapping of negative add operation to operators
285inline ldmat& ldmat::operator -= ( const ldmat &ldA )  {this->add ( ldA,-1.0 );return *this;}
286//!access function
287inline int ldmat::cols() const {return dim;}
288//!access function
289inline int ldmat::rows() const {return dim;}
290
291/*! @} */
292
293#endif // DC_H
Note: See TracBrowser for help on using the browser.